基于父/子微微网的接入控制策略及性能分析*

赵 越,苏 宏,刘尚麟

(保密通信重点实验室,四川成都610041)

基于父/子微微网的接入控制策略及性能分析*

赵 越,苏 宏,刘尚麟

(保密通信重点实验室,四川成都610041)

父/子微微网由于其特有的技术优势和广阔的应用前景而广受关注。文中介绍IEEE 802. 15.3标准MAC协议的超帧结构和父/子微微网网络结构,提出三种新型的接入控制策略,有效解决超帧长度利用不充分、设备接入不公平、多业务QoS性能不理想等不足之处。仿真和分析结果表明,文中所提的接入控制策略可以充分利用超帧长度,有效提升网络的平均QoS满意度,保证微微网协调器、实时业务流比普通设备、非实时业务流具有更高的满意度。

无线个域网 微微网 超帧 信道时间分配 服务质量

0 引 言

基于IEEE 802.15.3标准的高速率无线个域网(WPAN,Wireless Personal Area Network)适用于连接各种个人便携式通信设备(DEV,Device),运行在非专用的2.4 GHz频段,以55Mb/s的速率在100 m范围内传输[1]。各类DEV之间通过无线链路进行信息访问和数据交换,其中一个DEV作为微微网协调器(PNC,Piconet Coordinator)需要周期性地提供定时和管理信息,负责协调DEV间的建链和微微网的接入控制方式[2]。PNC以及与PNC关联的DEV组成微微网(Piconet),高速率WPAN可以建立多个微微网之间的分层结构,多层结构的基部为父微微网(Parent Piconet),从属于父微微网的微微网定义为子微微网(Child Piconet),这种组网方式的无线数据速率远高于20Mb/s,在保证带宽的条件下,可以满足DEV的服务质量要求(QoS)[3]。父微微网和子微微网的DEV可以同时操作微微网(SOP,Simultaneously Operating Piconet),子微微网

通过子微微网PNC(简称子PNC)自主完成信道的管理使用,并在其父微微网PNC(简称父PNC)发送的超帧(Superframe)获得私有信道时间分配(CTA, Channel Time Allocation)。

值得关注的是,SOP会导致包括相邻微微网间干扰、信标碰撞、吞吐率受限和信道资源预留冲突等各种问题[4]。文献[5]针对父/子微微网提出一种高效的信道时间分配方法,尽管此方法能解决多跳通信重叠区域中存在的碰撞问题,但随着子微微网数量增加,时隙转换与管理开销增大,将导致其网络吞吐率严重下降。文献[6]提出通过自适应CTA策略解决信道时间分配阶段(CTAP,Channel Time Allocation Period)产生的微微网间干扰,但由于受超帧长度恒定的限制,带宽利用效率与QoS性能依然无法得到显著提高。事实上,超帧如何进行CTA分配对于DEV通信的公平性和QoS存在重要影响,在父/子微微网中设计高效的接入控制策略,充分利用信道资源及协调各个DEV之间的通信,在每个超帧中为各业务流预置合适的CTA长度,是提升网络性能的关键问题,而这点并没有被先前的研究所关注。接入控制是IEEE 802.15.3标准MAC协议的基本功能,为设备关联网络、业务接入信道、数据分组调度、控制信令交互等制定基本规则。本文提出三种新型的接入控制策略,有效解决超帧长度利用不充分、设备接入不公平、多业务QoS性能不理想等不足之处,期望可以对未来无线网络的网络规划与资源分配的研究提供支持与借鉴。

1 系统模型

本节介绍基于IEEE 802.15.3标准MAC协议的超帧结构、父/子微微网网络结构。

图1为WPAN MAC协议的超帧结构,包括信标阶段(Beacon Period)、竞争接入段(CAP,Contention Access Period)、信道时间分配阶段。Beacon主要载有WPAN的控制参数和时隙分配等信息,目的DEV通过解析信标识别PNC和源端DEV。CAP采用载波侦听多址接入/碰撞避免机制(CSMA/CA)执行接入控制机制,主要用于DEV向PNC发送关联和脱离请求。CTAP采用时分多址接入方式,用于微微网内各DEV的同步(实时)和异步(非实时)数据交换,每个CTA由多个基本信道时间单元(TU,Time Unit)组成。微微网DEV在CAP中计算传输数据所需要的CTA长度,并产生信道时间请求(CTRq, Channel Time Request)命令发送至PNC。CTRq包括CTRq时间单元(CTRq TU)、期望TU数量(des_ TU)、最小TU数量(min_TU)等参数。des_TU为传输数据请求的TU数量,min_TU为保证业务流传输的最小TU数量。PNC收集DEV的CTRq,根据带宽资源情况为该DEV分配CTA,CTA长度(获得TU数量)要求大于或等于min_TU,小于或等于des_ TU,并通过随后超帧的Beacon向微微网所有DEV通告CTA分配信息。

图1 WPAN MAC协议的超帧结构Fig.1 Superframe structure based on WPAN MAC protocols

图2为父/子/邻微微网的网络结构,为了扩展微微网的覆盖范围,在父微微网基础上建立子微微网。具有成为子PNC能力的DEV向父PNC发送私有CTRq,父PNC给请求DEV分配私有CTA创建子微微网,这个DEV成为子PNC。子PNC即是父微微网的成员,也是子微微网的成员。邻微微网与父微微网不存在从属关系,邻微微网PNC(简称邻PNC)既不是父微微网的成员,也不会与任何父微微网的DEV交换数据。PNC会检查每个新请求加入DEV的性能,如果新DEV的能力强于PNC,且现有的安全策略允许,那么PNC就可以将微微网的控制权移交给新DEV。PNC应确保最大数量的DEV能在超帧分配得到CTA,以满足它们的QoS需求。此外,子PNC应当被分配给比普通DEV更多的CTA,以便获得足够的资源为子微微网的DEV服务。

图2 父/子/邻微微网的网络结构Fig.2 Network structures of parent/child/neighbor piconets

2 MAC协议主要技术

2.1 动态超帧长度

文献[7]提出利用动态超帧长度取代原有的静态超帧长度。由于DEV产生业务流到达的分组大小不同,PNC会利用当前各业务流的状况分配相应的CTA,超帧持续时间(SD,Superframe Duration)在保证不超过最大超帧长度(sizemax)的条件下动态调整。SD初始值设为最小超帧长度(sizemin),PNC根据各DEV CTRq的CTA需求增加超帧长度,PNC接收到CTRq之后,计算需要分配的信道时间大小与当前SD,如果SD没有达到sizemax,则接受该CTRq。动态超帧长度与静态超帧长度相比,可以更好满足同步(实时)业务的QoS需求,尤其针对可变比特率(VBR,Variable Bit Rate)业务流的情况下,可以有效防止CTA低效分配造成的浪费或者不足。

2.2 超帧利用率阈值

由于微微网的信道资源有限,如果为了保证已接入DEV的QoS,而拒绝新DEV接入微微网显然是不公平的。通过引入超帧利用率阈值(TL)可以有效地分配网络资源,实现DEV的QoS保障和接入更多DEV的折中。如果超帧长度低于TL,PNC就可以为请求DEV设置较长的CTA,为其提供更优的QoS;如果超帧长度超过TL,父微微网PNC则减小该DEV的CTA长度,以便更多的DEV获得信道时间。超帧利用率阈值TL定义为

式中,TU为时间单元的长度,N为全部DEV的数目,α为调整TL取值变化的系数,满足α≥1。当α= 1时,2×TU×N表示父微微网PNC至少需要为每个DEV分配2个时间单元用于与PNC的通信,其中一个用于业务流的上行链路,另一个用于下行链路。

2.3 差异化服务

在实际应用中,接入控制策略应该能够充分利用信道资源为尽可能多的业务流提供有QoS保证的服务。值得注意的是,对于实时(RT,Real-time Traffic)业务与非实时(NRT,Non-real-time Traffic)业务,它们各自的性能要求不同,占用的带宽也不同,每个DEV通过CTRq命令向PNC告知满足业务流传输的QoS要求,接入控制策略应该具备一定的灵活性,后文引入最小QoS满意度(Minimum QoS Satisfaction Factor)作为是否允许RT或NRT业务流接入微微网的判决条件。

3 接入控制机制

本节提出基于父/子微微网的三种接入控制策略:①动态超帧长度策略(命名为策略1);②联合动态超帧长度和超帧利用率阈值策略(命名为策略2);③联合动态超帧长度、超帧利用率阈值和差异化服务策略(命名为策略3)。父/子微微网的资源调度策略可以分为三个步骤,其中,步骤1“超帧长度计算与接收信道时间请求”和步骤3“接入控制决策与满意度计算”对于上述三种策略相同,仅在步骤2“资源分配条件与计算”存在差异。三种接入控制策略的算法流程如图3所示。

图3 接入控制策略的算法流程Fig.3 Algorithm processes of admission control schemes

步骤1:超帧长度计算与接收信道时间请求

业务流传输从最小超帧长度开始启动,父微微网PNC计算当前超帧m的SD(sizem)

式中,gi为分配给DEVi的CTA长度,表示超帧m分配给所有DEV累计分配的CTA长度。父微微网PNC分别接收来自DEV的CTRq和子PNC的私有CTRq,并根据步骤2“资源分配条件”决定是否接受还是拒绝其请求。

步骤2:资源分配条件与计算

父微微网PNC对信道时间分配的决策基于公平的准则,使得大多数DEV都能分配得到CTA。父微微网PNC还要保证子微微网PNC的优先级高于普通DEV。因为子微微网PNC需要获得更多的信道时间,以便有足够的资源给子微微网的DEV提供服务。三种策略的资源分配条件存在差异,后文将对此进行具体介绍。

策略1:对于父微微网PNC而言,如果接收到子微微网PNC的私有CTRq,则向其分配CTA,直到CTA长度达到子微微网PNC的TU期望数量与TU最小数量的平均值avg(min_TU,des_TU);如果接收到普通DEV的CTRq,则向其分配CTA,直到CTA长度达到DEV的TU最小数量min_TU。

策略2:如果当前超帧的SD低于TL,父PNC就根据CTRq计算分配给DEVi的信道时间,如果DEVi为子PNC,则分配的CTA长度为des_TU,如果DEV i为普通DEV,则分配的CTA长度为avg(min_ TU,des_TU);如果超帧的SD高于TL,父PNC则开始启用新的策略计算CTA长度,分配较少的信道时间给请求DEV,允许更多的DEV能从超帧分得CTA,父PNC为子PNC设置的CTA长度变为avg( min_TU,des_TU),而为普通DEV设置的CTA长度为min_TU。

策略3:此策略是策略2的扩展,除了与TL进行对比外,还根据业务流是RT或NRT保障其不同的QoS需求。出于差异化服务的目的,最小QoS满意度(Smin)可以从RT或NRT的CTRq里获得。因此,依据策略2计算DEV i的CTA长度之后,如果业务流为RT则Smin设定为0.7,如果为NRT则Smin设定为0.5。最小满意度在步骤3将作为新的判决条件决定是否接受或拒绝DEVi的CTRq。

步骤3:接入控制决策与满意度计算

策略3分析对于RT或NRT不同类型的业务流,DEV i分得的CTA长度能否满足其QoS要求,保证DEV i获得TU数量(gi)与des_TU的比值大于等于Smin。通过信标的承载能力信元,父PNC向其关联的子PNC和普通DEV通告其能处理的CTRq数量,如果上述判决条件均得到满足,父PNC发出成功应答,并为其业务流分配相应的CTA长度。否则,父PNC发出失败应答,拒绝为其分配CTA。父PNC处理所有子PNC和普通DEV的接入请求后,定义平均QoS满意度为

式中,des_TUi为DEV i的期望TU数量。

4 性能评估

用NS2(Network Simulator Version 2)软件实现算法仿真。不失一般性,在10 m覆盖范围内随机部署1个父PNC、2个子PNC和17个普通DEV,DEV发送信道时间分配请求服从泊松分布,每秒到达率为λ[8]。α取值设为2,sizemax、sizemin、TU长度分别为65 535μs、1 000μs、10μs[9]。

图4表示到达率λ为不同取值的归一化超帧长度变化。对于静态超帧长度策略而言,归一化超帧长度恒值为1,表示无论CTA请求数量多少,超帧长度均为sizemax,当λ值较低时,超帧无法得以充分利用;对于本文提出的三种接入控制策略而言,随着接受的CTA请求数量增加,归一化超帧长度动态增加,当达到1时,表示当前网络接纳负载已至饱和,无法再接受新的CTA请求。策略2、3与策略1相比,在λ值较低时为接入的DEV分配较长的CTA,归一化超帧长度相对较高;在λ值增加时,考虑公平性为接入的DEV分配较短的CTA,归一化超帧长度提升幅度相对缓慢。

图4 不同策略的归一化超帧长度比较Fig.4 Performance comparison of normalized superframe size among several schemes

图5表示到达率λ为不同取值时平均QoS满意度的变化。策略2、3与策略1相比有效提升网络的满意度。其中,策略2、3为子PNC分配的CTA长度要大于普通DEV的CTA长度,PNC与DEV相比获得更高的满意度;对于策略2的PNC和策略3的RT业务流而言,在到达率低于1 700时满意度均达到1,当到达率为3 000时,二者的满意度分别下降了

20.8%和14.6%;策略3区分RT业务流与NRT业务流,更好地为满足WPAN传输音频和视频这样实时数据所需的QoS,在到达率为2 000时,满意度分别为0.986和0.883。综合分析归一化超帧长度与平均QoS满意度,本文所提的接入控制策略充分利用了超帧长度,并可以为DEV提供更高的QoS满意度。

图5 不同策略的平均QoS满意度比较Fig.5 Performance comparison of average QoS satisfaction factor among several schemes

5 结 语

本文从理论分析和性能仿真两个方面对父/子微微网的接入控制策略进行深入地分析研究。首先提出一种可以提升超帧利用效率的动态超帧长度策略,在此基础上又提出基于联合动态超帧长度和超帧利用率阈值策略有效地分配网络资源,在网络接纳负载较低时,考虑QoS满意度为接入的DEV分配较长的CTA,在网络接纳负载较高时,考虑公平性为接入的DEV分配较短的CTA,以便能让更多DEV接入网络。联合动态超帧长度、超帧利用率阈值和差异化服务策略区分实时业务和非实时业务不同的QoS需求,优先保证实时业务的QoS满意度。本文提出的接入控制策略易于实现,为未来无线网络网络规划与资源分配研究提供借鉴。在后续研究中将采用通信安全一体化设计思路,将设备接入认证融合接入控制过程,在保证安全性的同时,减少延迟和开销,进一步改善网络性能。

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赵 越(1983—),男,博士,工程师,主要研究方向为移动通信与信息安全;

ZHAO Yue(1983-),male,Ph.D.,engineer,mainly engaged inmobile communication and information security.

苏 宏(1966—),男,硕士,高级工程师,主要研究方向为信息系统与安全传输;

SU Hong(1966-),male,M.Sci.,senior engineer,principally working at information system and secure transmission.

刘尚麟(1969—),男,硕士,高级工程师,主要研究方向为安全防御系统设计。

LIU Shang-lin(1969-),male,M.Sci.,senior engineer, principally working at the design of security defense system.

Access Control Strategy and Performance Analysis based on Parent/Child Piconets

ZHAO Yue,SU Hong,LIU Shang-lin
(Science and Technology on Communication Security Laboratory,Chengdu Sichuan 610041,China)

Parent/child piconets,owing to its peculiar technicalsuperiority and application prospects,attract much attention.This paper describes the superframe structure based on MAC protocol of IEEE 802.15.3 standards and the network structuresofparent/child piconets,then proposes three novel access control strategies,thus effectively solving the deficiencies such as inefficientuse of superframe length,unfair admission to devices,and inadequate QoS guarantee ofmultiple traffics.Simulations and analysis results indicate that the proposed access control strategy could take full advantage of superframe size,effectively improve the average QoS satisfaction factor,and guarantee that the piconet coordinators and real-time business flow could enjoy higher satisfaction factor than general devices and non-real-time business flow.

wireless personal area network;piconet;superframe;channel time allocation;QoS(quality of service)

TP309

A

1002-0802(2014)12-1400-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.12.011

2014-09-10;

2014-10-21 Received date：2014-09-10;Revised date：2014-10-21

国家自然科学基金资助项目(No.61202043)

FoundationItem:Supported by the National Science Foundation of China(No.61202043)